RU2761460C1 - Коллектор с многоступенчатой рекуперацией для электронного СВЧ-прибора гиротронного типа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электронной технике, а именно к коллекторам с рекуперацией энергии в электровакуумных СВЧ-устройствах. Технический результат - повышение полного КПД за счет увеличения эффективности многоступенчатой рекуперации и снижения тока, отраженного от коллектора, и повышение срока службы прибора за счет снижения тепловой нагрузки на электроды коллектора. Для создания азимутального магнитного поля используется соленоид тороидального типа, торцевые проводники которого со стороны, c которой электронный поток поступает в коллектор, собраны в жгуты для увеличения потока электронов, проходящих в область рекуперации. Повышение эффективности рекуперации и снижение потока электронов, отраженных от коллектора, достигается за счет снижения разброса радиального положения ведущих центров траекторий электронов при оптимальных параметрах тороидального соленоида, а также за счет использования секционированного электронного потока. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к коллекторам с рекуперацией энергии в электровакуумных СВЧ устройствах. Целью изобретения является повышение полного КПД прибора, уменьшение плотности мощности электронного потока, осаждающегося на коллекторе, уменьшение его массы и габаритов.

Коллекторы с рекуперацией широко применяются в различных классических вакуумных СВЧ устройствах с прямолинейными потоками электронов, типа клистронов, ламп бегущей и обратной волны. В таких коллекторах электроны отработанного потока тормозятся в электрическом поле, возвращая таким образом в электрическую сеть часть своей энергии, неизрасходованной при их взаимодействии с электромагнитным полем в электродинамической структуре, например, в резонаторе. В последнее для все большего числа приложений требуются мощные источники в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн излучения. Однако в этих диапазонах средняя выходная мощность классических вакуумных СВЧ устройств весьма мала. Заметно большую выходную мощность могут обеспечить приборы гиротронного типа. Практическое использование современных мощных гиротронов для нагрева плазмы и управления током в установках управляемого термоядерного синтеза, для микроволновой обработки материалов и в других приложениях диктует необходимость повышения эффективности работы и снижения энергопотребления таких приборов. Эффективность преобразования энергии электронного потока в энергию электромагнитного излучения характеризует величина электронного КПД, которая для мощных гиротронов, как правило, не превышает 30-35%. Как и в классических приборах СВЧ, КПД гиротронов может быть повышен за счет рекуперации энергии отработанного электронного потока.

Рекуперацию можно осуществить в простейшей одноступенчатой схеме. Известно устройство гиротрона (Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Прибор для генерации электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, патент SU 223 931 A1, подача 24.03.1967), в котором коллектор соединен с корпусом прибора через керамический изолятор. При потенциале коллектора, меньшем потенциала корпуса, электроны отработанного пучка тормозятся в области изолятора, что приводит к увеличению полного КПД прибора и снижению мощности, рассеиваемой на коллекторе. Эффективность рекуперации зависит от распределения электронов по энергиям. Типичный энергетический спектр электронов в отработанном пучке гиротронов характеризуется минимальной энергией

, равной

, и максимальной энергией

, превышающей

, где

- ускоряющее напряжение, e - заряд электрона. Недостаток одноступенчатой схемы рекуперации связан с тем, что разность потенциалов между корпусом прибора и коллектором

не может превышать величину

. В противном случае возникает поток электронов, отраженных от коллектора, который может приводить к снижению выходной СВЧ мощности и электронного КПД. При

у электронов при их осаждении на стенках коллектора может оставаться значительная энергия, которая преобразуется в тепло. Типичные значения КПД мощных гиротронов с одноступенчатой рекуперацией составляют 50-55%.

Известны устройства коллекторов для приборов гиротронного типа, в которых для повышения КПД и снижения мощности, выделяемой на коллекторе, используют многоступенчатую рекуперацию. Примером может служить коллектор для гиротронов с малыми орбитами электронов (Singh A., Ives L., Schumacher R., Mizuhara Y. Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotron, United States Patent Number 5,780,970, Date: July 14, 1998). При реализации многоступенчатой рекуперации фракции электронного пучка с разной энергией разделяются в пространстве и осаждаются на электроды (секции) коллектора под различными тормозящими потенциалами. Отметим, что в приборах гиротронного типа формируются винтовые электронные потоки (ВЭП) со средним питч-фактором электронов α, равным 1.2-1.5 (

где

и

- поперечная (осцилляторная) и продольная компоненты скорости электронов). В энергию электромагнитного излучения при этом преобразуется энергия электронов, связанная с их осцилляторным движением. Взаимодействие электронов с волной осуществляется на частоте, близкой к электронной циклотронной частоте или ее гармоникам. Поэтому для генерации излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн требуются сильные магнитные поля с индукцией в несколько Тл. Сложность реализации многоступенчатой рекуперации в гиротронах связана с тем, что в коллекторной области таких приборов имеется остаточное магнитное поле, хотя и заметно ослабленное по сравнению с магнитным полем в резонаторе. В указанном выше патенте, где описаны двух- и трехступенчатые коллекторы, пространственное разделение электронов с разной энергией, двигающихся до попадания в коллектор вдоль одной магнитной силовой линии, осуществляется с помощью магнитного поля, изменяющегося неадиабатически. Это магнитное поле формируется с помощью коллекторных соленоидов, а также специальных магнитных экранов, изготовленных из ферромагнитных материалов. В области локальной неоднородности магнитного поля электроны с разной энергией смещаются в радиальном направлении на различное расстояние. Это используется для осаждения электронов на секции под различными потенциалами - электроны с большей энергией осаждаются на секции под более отрицательным потенциалом. Основной недостаток коллекторов с неадиабатическим магнитным полем связан с наличием у отработанного потока, поступающего в коллекторную область, значительного разброса электронов по компонентам скорости (продольной и поперечной) и по радиальным координатам. В присутствии скоростного и позиционного разбросов электроны 1) не попадают на нужную секцию, а осаждаются на секции под более положительным потенциалом, и 2) отражаются от коллектора в сторону резонатора. В результате снижается эффективность рекуперации и уменьшается выходная СВЧ мощность.

Известно устройство коллектора для СВЧ приборов с прямолинейными электронными потоками (Okoshi T., Chiu E. Microwave electron tube device, United States Patent Number 3,526,805, Date: Sept. 1, 1970), в котором пространственная сепарация электронов осуществляется в скрещенных электрическом и магнитном полях. Этот коллектор может быть использован в классических СВЧ приборах (клистрон, лампы бегущей и обратной волны), в которых цилиндрический или ленточный пучок с малой площадью поперечного сечения (несколько квадратных миллиметров и меньше) после прохождения электродинамической структуры продолжает двигаться в магнитном поле

. В коллекторной области имеется набор плоских электродов (секций), расположенных под углом к оси z. Как следствие, в пространстве между секциями имеются компоненты электрического поля

и

. В секциях имеются отверстия для прохождения электронов. Под действием продольной компоненты электрического поля

электроны тормозятся, а под действием скрещенных

и

полей дрейфуют вдоль оси y. Чем больше начальная энергия электрона, тем на меньшее расстояние вдоль y он сместится при одном и том же расстоянии, пройденном вдоль z. Поэтому электроны с большой энергией проходят через отверстия в первых секциях и достигают секций под более отрицательным потенциалом. При торможении таких электронов обеспечивается снижение мощности, рассеиваемой на коллекторе. Предложенная конструкция электродов, однако, не может быть использована в мощных устройствах гиротронного типа, в которых средний радиус полого цилиндрического пучка в коллекторной области может составлять десятки-сотни миллиметров. Для такого пучка сепарация электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях может быть осуществлена, если направление дрейфа совпадает с радиальным направлением.

В качестве прототипа был выбран коллектор для мощных гиротронов, в котором для сепарации электронов используется азимутальное электрическое поле (Wu C., Pagonakis I. G., Albert D., Avramidis K. A., Gantenbein G., Illy S., Thumm M., Jelonnek J. Gyrotron multistage depressed collector based on E × B drift concept using azimuthal electric field. II: Upgraded designs, Phys. Plasmas, vol. 23, 043114, 2016). В данном устройстве корпус гиротрона с резонатором находится под положительным потенциалом, а система зеркал, используемая для вывода СВЧ мощности в радиальном направлении, и корпус коллектора заземлены. Внутри корпуса коллектора расположен электрод конической формы. Выбором параметров магнитных катушек обеспечивается прохождение пучка в непосредственной близости от внутренней поверхности этого электрода. Максимальное расстояние между пучком и электродом не должно превышать 2-3 см в отсутствии тормозящего напряжения. У конического электрода имеется спиральная щель (прорезь), которая разделяет этот электрод на две изолированные друг от друга секции. Первая секция соединяется с корпусом коллектора и поэтому имеет отрицательный потенциал относительно корпуса гиротрона. Вторая секция находится под более отрицательным потенциалом относительно первой. Таким образом в данном коллекторе осуществляется двухступенчатая рекуперация. В зазоре между секциями имеется азимутальная компонента электрического поля

, которая в комбинации с продольным магнитным полем

приводит к дрейфу электронов в радиальном направлении. Этот дрейф является причиной пространственной сепарации электронов, что приводит к осаждению медленных электронов на первой секции, а быстрых - на второй. Коллекторы, основанные на использовании азимутального электрического поля, были разработаны для различных гиротронов, в частности, для гиротрона с рабочей частотой 250 ГГц, предназначенного для проекта DEMO (Glyavin M., Manuilov V., Morozkin M. Two-stage energy recovery system for DEMO gyrotron, 43rd Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, pp.1-2, 2018). Недостатком устройства-прототипа является малые размеры области, где имеются скрещенные

и

поля. Поэтому для него характерны негативные явления, отмеченные выше для коллекторов с неадиабатическим магнитным полем. При наличии скоростного и позиционного разбросов в потоке, а также при неконтролируемых нарушениях юстировки электродов и магнитных катушек возможно появление заметного потока частиц, отраженных от коллектора в сторону резонатора, и снижение эффективности рекуперации из-за того, что электроны не попадают на нужную секцию, а осаждаются на секции под более положительным потенциалом.

Технической проблемой, на которую направлено данное изобретение, является повышение полного КПД прибора за счет увеличения эффективности многоступенчатой рекуперации и снижения тока, отраженного от коллектора, и повышение срока службы прибора за счет снижения тепловой нагрузки на электроды коллектора.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в коллекторе прибора гиротронного типа с полым электронным потоком, состоящим из корпуса, магнитных катушек и изолированных друг от друга электродов конической формы, имеющих отверстия для пролета электронов, согласно изобретению, содержится соленоид тороидального типа, предназначенный для создания азимутального магнитного поля, причем торцевые проводники этого соленоида со стороны, с которой электронный поток поступает в коллектор, собраны в жгуты.

В частном случае реализации устройства по п.2 новым является то, что корпус коллектора имеет коническую и цилиндрическую части, магнитные катушки, формирующие дополнительное продольное магнитное поле, обеспечивают близкое к однородному распределение этого поля в цилиндрической части корпуса, электроды расположены внутри цилиндрической части корпуса, тороидальный соленоид расположен снаружи корпуса и также имеет коническую и цилиндрическую части, а также продольное положение жгутов, угол наклона конической части тороидального соленоида и направление тока в тороидальном соленоиде выбраны такими, чтобы разброс радиального положения ведущих центров траекторий электронов, различающихся азимутальным положением точки влета в коллекторную область, в отсутствии напряжений на электродах был минимальным и не превышал расстояния от электродов до поверхности корпуса коллектора.

В частном случае реализации устройства по п.3 новым является то, что полый электронный поток, поступающий в коллектор, сделан секционированным, причем число секторов, в которых отсутствует электроны, равно числу жгутов тороидального соленоида, а азимутальное положение секторов соответствует азимутальному положению жгутов.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что устройство содержит соленоид тороидального типа, предназначенный для создания азимутального магнитного поля, причем торцевые проводники этого соленоида со стороны, обращенной к резонатору, собраны в жгуты. Использование такого соленоида позволяет осуществить эффективную многоступенчатую рекуперацию, благодаря чему достигается повышение полного КПД и снижается тепловая нагрузка на коллектор.

Изобретение поясняется следующими рисунками и чертежами:

На Фиг.1. схематически изображены траектории электронов с разной начальной энергией в скрещенных электрическом и магнитном полях.

На Фиг.2 показано трехмерное изображение предлагаемого устройства.

На Фиг.3 изображено сечение предлагаемого устройства в плоскости YZ.

На Фиг.4 изображены траектории "одиночных" электронов при положительном направлении азимутального магнитного поля.

На Фиг.5 изображены траектории "одиночных" электронов при отрицательном направлении азимутального магнитного поля.

На Фиг.6 схематически показано положение секторов ВЭП, в которых отсутствуют электроны, относительно жгутов тороидального соленоида.

На Фиг.7 изображен энергетический спектр электронов в отработанном ВЭП.

Предлагаемое устройство характеризуется аксиальной симметрией. Такая симметрия характерная для большинства приборов гиротронного типа. Особенностью предлагаемого устройства является использование азимутального магнитного поля для сепарации электронов с разной энергией. Принцип сепарации поясняет Фиг.1. В области сепарации имеются продольная

и азимутальная

компоненты магнитного поля. Электрическое поле с радиальной

и продольной

компонентами в данном случае создается с помощью электродов (секций) I и II конической формы под различными потенциалами

(

>

). Электроны, влетающие в область действия полей с разной начальной энергией W (

>

), дрейфуют по радиусу со скоростью

. Начальная скорость электронов направлена вдоль силовой линии магнитного поля. При надлежащем выборе амплитуд и распределений полей может быть обеспечена пространственная сепарация электронов, которая необходима для осаждения фракций пучка на различных секциях с потенциалами, соответствующими энергиям этих фракций. При направлении полей, показанных на Фиг.1, дрейф электронов происходит в сторону больших радиусов. При достаточно большом диаметре отверстий у конических секций во время движения электронов в тормозящем электрическом поле у частиц может измениться направление их продольной скорости на обратное. Это приведет к осаждению электронов на "задней" поверхности секций, как показано на Фиг.1. Для создания азимутального магнитного в данном устройстве используется соленоид с тороидальной намоткой, состоящий из проводников внутренней обмотки, проводников наружной обмотки и торцевых проводников. Торцевые проводники, расположенные со стороны, с которой электронный поток поступает в резонатор, собраны радиальные жгуты. Таким образом увеличивается размер области в плоскости торцевых проводников, попадая в которую электроны беспрепятственно проходят в область рекуперации. Использование тороидального соленоида позволяет заметно увеличить область, где присутствуют скрещенные электрическое и магнитное поля, по сравнению с устройством-прототипом. Это обеспечивает повышение эффективности рекуперации и снижение потока электронов, отраженных от коллектора, что приводит к повышению полного КПД прибора и снижению мощности, рассеиваемой на коллекторе.

В частном случае реализации устройства по п.2 осуществлена оптимизация геометрии элементов коллектора для повышения эффективности его работы. Рассмотрим пример предлагаемого устройства. На Фиг.2 показано трехмерное изображение коллектора, а на Фиг.3 - его сечение в плоскости YZ. Коллектор состоит из корпуса 1, у которого имеются коническая и цилиндрическая части, корректирующих магнитных катушек 2, тороидального соленоида 3 и электродов (секций) 4 (Фиг.2). Рекуперация осуществляется в цилиндрической части коллектора 5 (Фиг.3), где расположены секции под тормозящим напряжением. Поперечные размеры коллектора зависят от мощности осаждающегося электронного пучка и длительности импульса тока. Для мощных гиротронов, работающих в режимах непрерывной или квазинепрерывной генерации, характерны большие поперечные размеры коллектора, заметно превышающие поперечные размеры резонатора. Снижения удельной мощности на коллекторе в этом случае добиваются за счет сильной декомпрессии ВЭП. Например, в гиротроне для проекта DEMO радиус цилиндрической части коллектора равен 160 мм, а отношение индукции магнитного поля в резонаторе к индукции магнитного поля в области осаждения пучка на коллекторе равно примерно 2000 (Glyavin M., Manuilov V., Morozkin M. Two-stage energy recovery system for DEMO gyrotron, 43rd Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, pp.1-2, 2018). Ниже описывается конструкция коллектора, предназначенного для использования в этом гиротроне. Моделирование и расчеты, которые поясняют его работу, были выполнены с помощью программы трехмерного моделирования CST Studio Suite (Программное обеспечение для 3D-проектирования Дассо Систем [сайт]. URL: https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-suite).

В предлагаемом коллекторе имеется набор из нескольких (в данном примере из четырех) корректирующих катушек 6, 7, 8, 9 (Фиг.3), которые в сочетании с катушками основной магнитной системы гиротрона обеспечивают примерно однородное распределение продольного магнитного поля в области рекуперации. В переходной области между резонатором и рекуператором индукция продольного магнитного поля адиабатически уменьшается с

до

. В этой области электронный поток движется внутри конической части коллектора 10 (Фиг.3).

Тороидальный соленоид расположен снаружи корпуса и состоит из проводников внутренней обмотки 11, проводников наружной обмотки 12 и торцевых проводников, расположенных с ближней (13) и дальней (14) сторон по отношению к резонатору. Электронный поток поступает в коллекторную область со стороны, ближней к резонатору. Торцевые проводники 13 собраны в два радиальных жгута. Для отделения рабочего пространства коллектора, в котором обеспечены необходимые вакуумные условия для транспортировки электронного потока, от проводников тороидального соленоида используются две трубки 15 и 16, в которых расположены торцевые проводники жгутов, и трубка 17 для проводников внутренней обмотки. Витки наружной обмотки могут иметь увеличенный размер вдоль азимутальной координаты для более равномерного распределения азимутального магнитного поля (Фиг.2).

Выбор числа ступеней рекуперации N основывается на компромиссе между желанием достичь максимального полного КПД гиротрона

и трудностями практической реализации системы рекуперации с большим числом ступеней. С ростом N происходит насыщение зависимости

, поэтому разумно ограничиться небольшим числом ступеней. Однако следует учесть, что при использования азимутального магнитного поля не происходит заметного усложнения конструкции коллектора при увеличении N, если сравнивать с коллекторами с азимутальным электрическим полем (например, устройство-прототип). В рассматриваемом примере используется четыре ступени рекуперации. Тормозящее электрическое поле создается с помощью электродов (секций) 18, 19, 20, 21 (Фиг.3).

Для снижения возмущающего действия магнитного поля жгутов на радиальное положение траекторий электронов в области рекуперации осуществляется оптимизация геометрии тороидального соленоида. Для этого выполняется расчет траекторий "одиночных" электронов, различающихся азимутальной координатой точки влета в коллекторную область, при разных длине конической части соленоида

, угле наклона этой конической части

(Фиг.3), а также направлении азимутального магнитного поля

или

(Фиг.2). В этих расчетах коллекторные секции должны отсутствовать.

На Фиг.4 и Фиг.5 показаны проекции электронных траекторий на плоскость RZ при положительном

и отрицательном (

направлениях азимутального магнитного поля. В этих расчетах электроны стартовали в плоскости z=0 (центр резонатора), где

=9.57 Тл. В этой плоскости радиальная координата и энергия у всех электронов были одинаковыми и равнялись, соответственно, 3.85 мм и 36 кэВ, а азимутальная координата θ была различная в диапазоне от 0 до 180((азимутальное положение жгутов соответствовало θ=90(и θ=270°). В области z>1000 мм индукция азимутального магнитного поля

равнялась примерно 0.08 Тл, а продольного поля

- примерно 0.016 Тл. Эти значения были определены на радиусе, равном радиусу электронной траектории в отсутствии поля тороидального соленоида. Видно, что при положительном направлении азимутального поля (Фиг.4) имеется заметный разброс радиальных координат электронных траекторий в области z>1000 мм. Этот разброс связан с действием магнитного поля жгутов (располагались в плоскости z ≈ 630 мм), имеющего азимутальную и аксиальную составляющие. Это действие различно для электронов, пролетающих на разном расстоянии от жгутов. Наличие заметного разброса радиальных координат электронов приводит к снижению эффективности рекуперации. Электроны, двигающиеся в непосредственной близости от жгутов, могут отражаться в сторону резонатора (θ=112°) или, получив большую поперечную скорость, оседать на корпусе коллектора (θ=135°). Варьирование параметров

и

не приводит к заметному снижению радиального разброса электронных траекторий при положительном направлении поля

.

Анализ сил, действующих на электроны в области жгутов, показал, что положительного результата можно добиться, если изменить направление азимутального магнитного поля. В этом случае меняется направление радиальной силы Лоренца, которая действует на электроны, двигающиеся в продольном направлении, при их влете в область с азимутальным магнитным полем. Эта сила будет смещать электроны в сторону больших радиусов. Смещение электронов по радиусу также происходит в результате действия силы, связанной с изменением продольного магнитного поля вдоль координаты z. При отрицательном направлении поля

одна из указанных сил частично компенсирует другую. Это приводит к тому, что разброс радиальных координат заметно снижается при переходе от положительного к отрицательному направлению азимутального магнитного поля. Дополнительного уменьшения этого разброса можно добиться при оптимальных значениях параметров

и

. На Фиг.5 показаны проекции электронных траекторий, рассчитанные при отрицательном направлении поля

и оптимальных значениях

=350 мм и

=9.5°. Важно, что при таком направлении азимутального поля дрейф электронов в скрещенных

и

полях будет направлен в сторону меньших радиусов, т.е. в противоположном направлении по сравнению с показанным на Фиг.1. Смена направления этого дрейфа следует, очевидно, учесть при выборе геометрии секций коллектора.

В предлагаемом устройстве коллектора геометрия секций 18-21 (Фиг.3) соответствует отрицательному направлению поля

. Секции имеют коническую форму, при которой амплитуда продольной компоненты электрического поля

незначительно изменяется вдоль координаты z в области рекуперации. У каждой из секций имеются цилиндрические элементы, которые служат для экранирования рабочего пространства, где движутся электроны, от заземленных частей корпуса коллектора 5 и 17. Радиусы оснований первых трех секций

,

и

выбираются таким образом, чтобы в отсутствии напряжения на секциях электроны не осаждались на их поверхности. Для этого могут быть использованы результаты расчета траекторий "одиночных" электронов (Фиг.5).

В частном случае реализации устройства по п.3 дополнительно осуществляется секционирование ВЭП, например, в результате использования секционированного термокатода. Электронный поток в приборах гиротронного типа формируется, как правило, с помощью магнетронно-инжекторных пушек, на катоде которых имеется узкий термопоясок, эмитирующий электроны. У секционированного катода отсутствует термоэлектронная эмиссия с двух (по числу жгутов тороидального соленоида) азимутальных секторов. У электронного потока 22 выбор "длины" этих секторов в азимутальном направлении

и азимутального положения секторов

относительно положения соединительных трубок 15 и 16, в которых располагаются жгуты (Фиг.6), осуществляется на основании данных расчета траекторий "одиночных" электронов. При отрицательном направлении азимутального магнитного поля электроны под действием локального магнитного поля жгутов могут отразиться от коллектора в сторону резонатора (см. электрон с θ=67(на Фиг.5). Отсутствие электронов в двух секторах полого ВЭП позволяет дополнительно уменьшить влияние паразитного магнитного поля жгутов на суммарную эффективность рекуперации энергии и коэффициент отражения электронов от коллектора в предлагаемом устройстве.

Для демонстрации возможностей коллектора с азимутальным магнитным полем был выполнен расчет полного КПД гиротрона для проекта DEMO. Для этого использовались данные о параметрах отработанного ВЭП в режиме с ускоряющим напряжением

=55 кВ, током пучка

=10 А, выходной мощностью

=198 кВт и электронным КПД

=36% (Glyavin M., Manuilov V., Morozkin M. Two-stage energy recovery system for DEMO gyrotron, 43rd Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, pp.1-2, 2018). Энергетический спектр электронов для этого режима показан на Фиг.7. Рассчитывалось самосогласованное положение 53 352 электронных траекторий (трубок тока) с различными начальными, определенными в плоскости z=0, значениями энергии и тока в соответствии со спектром, показанным на Фиг.7, а также питч-фактора, фазы циклотронного вращения, радиальной и азимутальной координаты. Расчеты были выполнены для двух секторных вырезов ВЭП с параметрами

=45°,

=45(и 225°. Значения параметров магнитной системы были следующими:

≈ 0.08 Тл,

=0.016 Тл,

=350 мм,

=9.5°, отрицательное направление азимутального магнитного поля. Радиусы оснований конических секций

,

,

равнялись 105 мм. При значениях напряжения на секциях

=-23.6 кВ,

=-29.1 кВ,

=-32.4 кВ,

=-37.8 кВ были получены следующие значения мощности, рассеиваемой на секциях

=9.03 кВт,

=5.61 кВт,

=11.50 кВт,

=12.84 кВт и на корпусе коллектора

=0.42 кВт, что в сумме дает значение мощности пучка на коллекторе

=39.4 кВт. При таком

полный КПД гиротрона равняется 83.4%. Ток электронов, отраженных от коллектора, в данном режиме был довольно мал и составлял примерно 0.35% от тока пучка

.

Таким образом, проведенный траекторный анализ подтверждает преимущества предлагаемого устройства коллектора для приборов гиротронного типа. Использование в этом коллекторе азимутального магнитного поля, создаваемого тороидальным соленоидом, позволяет обеспечить большое время пребывания электронов в области действия скрещенных электрического и магнитного полей и, как следствие, добиться высокой эффективности рекуперации остаточной энергии ВЭП и малого отражения электронов от коллектора при распределениях электронов отработанного пучка по компонентам скорости и координатам, типичных для мощных гиротронов.

Claims (3)

1. Коллектор прибора гиротронного типа с полым электронным потоком, состоящий из корпуса, магнитных катушек и изолированных друг от друга электродов конической формы, имеющих отверстия для пролета электронов, отличающийся тем, содержит соленоид тороидального типа, предназначенный для создания азимутального магнитного поля, причем торцевые проводники этого соленоида со стороны, с которой электронный поток поступает в коллектор, собраны в жгуты.

2. Коллектор прибора гиротронного типа по п.1, отличающийся тем, что корпус коллектора имеет коническую и цилиндрическую части, магнитные катушки, формирующие дополнительное продольное магнитное поле, обеспечивают близкое к однородному распределение этого поля в цилиндрической части корпуса, электроды расположены внутри цилиндрической части корпуса, тороидальный соленоид расположен снаружи корпуса и также имеет коническую и цилиндрическую части, а также продольное положение жгутов, угол наклона конической части тороидального соленоида и направление тока в тороидальном соленоиде выбраны такими, чтобы разброс радиального положения ведущих центров траекторий электронов, различающихся азимутальным положением точки влета в коллекторную область, в отсутствие напряжений на электродах был минимальным и не превышал расстояния от электродов до поверхности корпуса коллектора.

3. Коллектор прибора гиротронного типа по п.1, отличающийся тем, что полый электронный поток, поступающий в коллектор, сделан секционированным, причем число секторов, в которых отсутствуют электроны, равно числу жгутов тороидального соленоида, а азимутальное положение секторов соответствует азимутальному положению жгутов.

Images